RU1783398C - Способ определени теплофизических характеристик материалов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерению теплофизических характеристик (ТФХ) и может быть испрльзовано при комплексном изучении ТФХ материалов с теплопроводностью 0,1-5 Вт/(м К), а также дл  определени  или контрол  ТФХ реальных объектов без их разрушени  После установки измерительного зонда с эталонным образцом на исследуемый материал проводитс  регистраци  временной зависимости скорости изменени  перепада температуры по высоте эталонного образца, затем система измерительный зонд - исследуемый образец разогреваетс  круговым нагревателем с посто нной электрической мощностью и регистрируетс  временна  зависимость перегрева центра нагревател  относительно начальной температуры. Способ позвол ет сократить врем , необходимое дл  выравнивани  температур эталонного и исследуемого образцов, за счет регистрации временной зависимости скорости изменени  перепада температуры псГвыс оте эталонного образца перед проведением эксперимента по определению ТФХ. Это дает возможность, не дожида сь полного выравнивани  температур в рассматриваемой тепловой системе, начинать эксперимент по определению ТФХ. Следовательно, уменьшаетс  врем  определени  ТФХ. 1 ил. сл с

Description

Изобретение относитс  к измерению теплофизических характеристик (теплопроводности , температуропроводности и тепловой активности) материалов и может быть использовано в тех отрасл х народного хоз йства , где требуетс  комплексное определение теплофизических характеристик реальных объектов без их разрушени .

Известен способ дл  определени  теп- лофизической характеристики-теплопроводности материалов и объектов без их разрушени . Способ включает одностороннее двухточечное тепловое зондирование поверхности образца с помощью двух стержнеобразных зондов, измерение разности температур между збндами и разности температур на неконтактирующих с образцом концах зонда с последующим определением теплопроводности по градуировочной зависимости.

Недостатком известного способа  вл етс  невозможность получени  данных по температуропроводности материала.

Наиболее близким к изобретению техническим решением  вл етс  способ определени  теплофизических характеристик (теплопроводности, температуропроводности и тепловой активности) материалов и

XI

со

00 О

ю

00

объектов без их разрушени , состо щий в разогреве системы полубесконечных в тепловом отношении эталонного и исследуемого образцов круговым нагревателем с посто нной электрической мощностью и измерении перегрева центра нагревател  относительно начальной температуры,

Недостатком указанного способа  вл етс  большое врем  получени  результата (значений теплофизических характеристик ). Это св зано с тем, что в системе термозонд-исследуемое тело перед началом опыта требуетс  обеспечить равномерное температурное поле. Указанное обсто тельство приводит к тому, что врем , необходимое дл  выравнивани  температур системы термозонд-исследуемое тело, может превышать длительность самого эксперимента в 5-10 раз в случа х, когда тер- м озонд и исследуемый материал имеют разные начальные температуры.

Цель изобретени -уменьшение времени определени  теплофизических характеристик за счет исключени  необходимости полного выравнивани  температур исследуемого и эталонного образцов.

Указанна  цель достигаетс  тем. что согласно способу определени  теплофизических характеристик материалов, включающему установку измерительного зонда с эталонным образцом на исследуемый материал , разогрев системы измерительный зонд - исследуемый образец круговым нагревателем с посто нной электрической мощностью и регистрацию временной зависимости перегрева центра нагревател  относительно начальной температуры с последующим расчетом искомых величин по формулам, перед включением нагревател  дополнительно провод т регистрацию временной зависимости скорости изменени 1 перепада температуры по высоте эталонного образца.

Определение теплофизических характеристик основано на закономерности развити  двухмерного температурного пол  в двух полуограниченных телах с различными тепловыми свойствами, наход щихс  в идеальном контакте с тонким круговым источником теплоты посто нной мощности.

Избыточна  температура AT (г) (перегрев относительно начальной температуры) центра кругового источника теплоты определ етс  выражением:

AT (г)

ш 20JoVF ( 11,01.

W

bx + Ьэ

-Tr nrlerfc7

bx + Ьэ2

где fflb - удельна  мощность источника теплоты;

г- врем ;

ах,аэ,Ьх,Ьэ -температуропроводность и

теплова  активность исследуемого и эталонного материала;

г0 - радиус источника теплоты;

lerfc x - кратный интеграл веро тности.

Выражение (1) получено в предложении , что в системе из эталонного тела с круговым нагревателем, вход щим в состав измерительного зонда, и исследуемого тела перед началом эксперимента требуетс  обеспечить равномерное температурное

поле. Однако в реальных услови х указанное требование сразу после установки измерительного зонда на исследуемый материал в большинстве случаев не может быть выполнено, так как зонд и образец

имеют различные температуры. Поэтому необходимо определенное врем  дл  выравнивани  температур исследуемого и эталонного образцов. Как показывают экспериментальные исследовани , процесс

выравнивани  температур может занимать более 40-50 мин, что на пор док больше времени ведени  эксперимента.

Дл  уменьшени  времени, обусловленного процессом выравнивани  температур

эталонного и исследуемого образцов, дополнительно перед проведением эксперимента регистрируетс  временна  зависимость f(r) скорости изменени  перепада температуры по высоте эталонного образца .

Полученные точки временной зависимости скорости изменени  перепада температуры по высоте эталонного образца аппроксимируютс  дробно-рациональной

функцией вида

tw- aaiz +a2Tn 1...+...+an + i biz +b2Tk 1 +...+ bk + i

(2)

где .

Коэффициенты ai, bi выражени  (2) pac- считываютс  методом наименьших квадратов .

Затем, не дожида сь полного завершени  выравнивани  температур эталонного и исследуемого образцов, начинают про- водить эксперимент (включают нагреватель ).

С учетом вли ни  незаконченного процесса выравнива  температуры формулы дл  определени  теплофизических характеристик имеют вид:

дл  тепловой активности

.2( h ™

Ьх , (J;

(АТ(г)-АТн -/f(r)dr)-v5r

ть

где т-текущее врем  эксперимента, отсчитываемое от момента включени  нагревател ; гп - полное врем ; гп т + ти + Т0, тв Ти 4- т0, где ги - врем , в течение которого регистрировалс  ход временной зависимости скорости изменени  перелада температуры по высоте эталонного образца; То - врем , затраченное на обработку (аппроксимацию) указанной выше временной зависимости; АТн - перепад температуры по высоте эталонного образца перед включением нагревател ;

дл  температуропроводности:

ах г02/ 4тПегтс 1Х) 1 | Ьэ + Ьх

Х 7л

Гп

(Ьх + Ьэ)2 (ЛТ (г) - ДТ„ - / f (г) dr) ,

ГЬ

Vr

-balerfc-r-f,

2 Va3rj

„-1л

(4)

где lerfc Х-обратна  функци , определ юща  аргумент х по известному значению функции X lerfcfx);

-дл  теплопроводности

Як bx YaT(5)

Дл  осуществлени  способа может быть использовано устройство, структурна  схема которого изображена на чьртеже.

Схема включав- измерительный зонд 3 с эталонным образцом 2, нагревателем 1, дифференциальной термопарой 4 и термопарой дл  измерени  абсолютной температуры 5, усилители б и 7 термоЭДС тер1 мопар, управл емый источник тока нагревател  8, дифференциатор9, коммутатор 10, аналого- цифровой преобразователь 11, оперативный запоминающий блок 12, посто нный запоминающий блок 13, блок сопр жени  14, процессор 15, блок индикации 16, клави- атуру 17, таймер 18.

Устройство работает следующим образом .

Измерительный зонд устанавливаетс  на исследуемый материал, оператор вводит с клавиатуры 17 в оперативный запоминающий блок 12 исходные данные (радиус нагревател , его сопротивление, значени  температуропроводности и тепловой активности эталонного образца). Затем устройст

5

Ю 15

20

25

30

35

40 . 45 50

55 во переводитс  в режим регистрации временной зависимости скорости изменени  перепада температур по высоте эталонного образца. Дл  этого через определенный промежуток времени снимаютс  показани  дифференциальной термопары 4 и после усилени , дифференцировани  и преобразовани  в цифровую форму занос тс  в оперативный блок 12. Сн тие точек термограммы продолжаетс  в течение времени ги. Затем сн тие точек прекращаетс  и процессор 15, выполн   программу, хран щуюс  в посто нном запоминающем блоке 13, аппроксимирует экспериментальные данные с помощью выражени  (1). Полученные значени  коэффициентов ai и bj занос т в оперативный запоминающийс  блок 12. Дл  расчета указанных коэффициентов таймер 18 задает заведомо достаточный интервал времени. Затем включаетс  нагреватель и начинает проводитьс  эксперимент по определению теплофизических характеристик . Сигнал от дифференциальной термопары 4 усиливаетс  с помощью усилител  б и через коммутатор 10 подаетс  на аналого-цифровой преобразователь 11. Преобразованное в цифровую форму значение , соответствующее температуре центра нагревател , заноситс  в оперативный запоминающий блок 12 через блок сопр жени  14.

После сбора данных искомые теплофи- зическис характеристик рассчитываютс  по формулам (3-5) и вывод тс  на блок индикации 16.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позвол ет сократить врем , необходимое дл  выравнивани  температур эталонного и исследуемого образцов, за счет регистрации скорости изменени  во времени перепад температуры по высоте эталонного образца перед проведением .теплового эксперимента. Это позвол ет не дожидатьс  полного выравнивани  температур в рассматриваемой тепловой системе и начинать эксперимент по определению теплофизических характеристик раньше и, следовательно,уменьшить врем  определени  теплофизических характеристик.

При практической реализации способа создана лабораторна  экспериментальна  установка. Проверка работоспособности способа проводилась п/тем сравнени  результатов измерений теплофизических характеристик стандартных образцов (стекло KB, ТФ-1, оргстекло, пенополистирол ПС1- 100) при практически полном выравнивании температур (скорость изменени  перепада температуры по высоте эталонного образца мзнее 0,1 К/мин) и с использойанием предлагаемого способа. Это позволило определить реальные значени  величин в формулах (2)-(4). При Дг 1 мин, ги - 5 мин, г0 2 с и скорости изменени  перепада температуры к моменту включени  нагре- вател  пор дка 0,1-0,15 К/мин при сохранении точности определени  тепло- физических характеристик использование предлагаемого способа уменьшило врем  получени  результата в,2-3 раза.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ определени  теплофизических характеристик материалов, включающий установку измерительного зонда с эталонным образцом на исследуемый материал, разогрев системы измерительный зонд - исследуемый образец круговым нагревателем с посто нной электрической мощностью и регистрацию временной зависимости перегрева центра нагревател  относительно начальной температуры с последующим расчетом искомых величин по формулам, отличающийс  тем, что, с целью

   уменьшени  времени определени  тепло- Физических характеристик за счет исключени  необходимости полного выравнивани  температур исследуемого и эталонного образцов , перед включением нагревател  дополнительно провод т регистрацию временной зависимости г) скорости изменени  перепада температур по высоте эталонного образца, а при определении

   искомых характеристик учитывают вли ние незаконченного процесса выравнивани  температуры через

   lV)d(z),

   где г- текущее врем  эксперимента, отсчитываемое с момента включени  нагревател :

   тп - полное врем , равное г + Г0 + г0; ги - врем , в течение которого регистрировалась f(r);

   TO - врем , затраченное на обработку f(D:

   ТЬ Ти + Го.